ENERGIA ELÉTRICA

ENERGIA ELÉTRICA
CORRENTE ELÉTRICA
VOLTAGEM
CIRCUITO ELÉTRICO
ELETRICIDADE

INTRODUÇÃO

Logo acima, uma linha de transmissão de eletricidade. Para transmissão de energia a longas distâncias são usados cabos de alumínio e aço em altíssimas voltagens de energia alternada. Logo abaixo, um exemplo típico de circuito eletrônico, no qual estão fixados os componentes eletrônicos, os quais trabalham em energia contínua.

A energia elétrica é o fenômeno físico capaz de realizar um trabalho por meio de um sistema de transformação, com a conversão da carga elétrica em uma grande variedade de utilidades, incluindo a tração, o impulso, o movimento, o processamento de dados, as ondas eletromagnéticas usadas em telecomunicações, a luz visível ao olho humano, as imagens, os sons, o aquecimento ou calor, a refrigeração ou congelamento, entre muitas outras.

Conhecida também como eletricidade, ela é uma forma de energia baseada na geração de diferenças de potencial elétrico entre dois pontos, que permitem estabelecer uma corrente elétrica entre ambos. Mediante a transformação adequada é possível obter formas finais de uso direto, incluindo a luz, o movimento e o calor, por exemplo.

É uma das formas mais conhecidas de energia que a humanidade mais utiliza na atualidade, graças a sua relativa facilidade de transmissão, com baixo índice de perda energética durante a sua transmissão, a sua distribuição e a sua conversão final para realização de trabalho.

A energia elétrica pode ser calculada pelo produto da potência do equipamento ou aparelho pelo seu tempo de funcionamento. Os sucessivos e gradativos avanços tecnológicos dos séculos XX e XXI são de extrema importância para a sociedade moderna. Equipamentos eletrodomésticos e eletroeletrônicos, como o refrigerador ou geladeira e freezer, o computador e a televisão, aparelhos de som, aquecedores e aparelhos de ar condicionado ou climatizadores, o telefone, entre muitos outros, só existem graças à energia elétrica.

No Brasil, por exemplo, a eletricidade é obtida principalmente através de usinas hidrelétricas, usinas termoelétricas, usinas termonucleares e, nos anos mais recentes, por meio de sistemas geradores de energia eólica e de energia solar fotovoltaica.

O relâmpago ou o raio, por exemplo, é uma das manifestações naturais mais visíveis e imponentes da eletricidade.

BASE TEÓRICA

De modo geral, o termo energia é usado para designar a capacidade que alguma coisa qualquer, uma máquina, um sistema ou um equipamento, por exemplo, tem de realizar trabalho a partir de seu estado de atividade, de seu movimento ou de seu funcionamento. O termo energia é bem amplo, ele se refere à capacidade que qualquer coisa tem de executar uma função específica. Conceitualmente, a energia é o estado de atividade de um sistema físico, que dá origem a um trabalho específico.

A palavra energia surgiu no século XIX, quando se percebeu que corpos em movimento ou equipamentos podiam produzir um trabalho, a maria-fumaça (trem antigo), por exemplo. Na época se tratava de energia cinética, mas com o passar do tempo outras formas de energia receberam conceituação e denominação, entre elas a energia química, a energia térmica (calor), a energia elétrica e a energia nuclear.

De modo geral, a unidade padrão usada para medir ou dimensionar todas ou quase todas as formas de energia conhecidas é o joule, com o símbolo J, uma unidade de medida do Sistema Internacional. Ele é definido pela energia necessária para mover um objeto por uma distância de 1 metro contra uma força de 1 newton (N). A potência é uma taxa em que a energia é liberada ou convertida, normalmente medida em J/s ou watts (W).

Geralmente, as formas de energia podem ser convertidas entre si. Por exemplo, o movimento, a energia cinética provocada na câmara de combustão de um motor a pistão, por exemplo, pode ser transferido de um corpo para outro por processos que envolvem trabalho mecânico, o que resulta em outro tipo de movimento, neste caso linear, o movimento do carro sobre a rodovia; por processos de aquecimento, neste caso a temperatura resultante da diferença entre os corpos; por processos de radiação eletromagnética, o que pode resultar em luz ou microondas, ambas usadas para iluminação de ambientes, telecomunicações e aquecimento de alimentos, respectivamente; e pela mera eletricidade ou fluxo de energia elétrica.

Um dos principais exemplos do uso do movimento cinético na produção de eletricidade é quando a água de um grande reservatório desce, por gravidade, por meio dutos, até as turbinas de uma usina hidrelétrica, que utiliza os movimentos gerados pelo fluxo de água na turbina mover geradores de eletricidade.

CONCEITOS E CARACTERÍSTICAS

Logo acima, as subestações de energia elétrica são compostas por equipamentos que gerenciam / controlam as correntes e tensões para distribuição de energia. Logo abaixo, um exemplo de subestação de energia da Energisa, uma concessionária brasileira de transmissão e distribuição de energia.

De modo geral, energia é um termo de amplo emprego usado nos meios científicos, tecnológicos, acadêmicos, empresariais e na administração pública para designar um fenômeno, uma propriedade ou característica relacionado (a) a um sistema que lhe permite realizar trabalho. Existem várias formas de energia conhecidas: a potencial, a mecânica, a química, a eletromagnética, a elétrica, a calorífica, entre outras. Essas várias formas de energia podem ser transformadas de uma para outra, podem ser convertidas de uma para outra. A energia elétrica é uma das formas mais conhecidas e comuns de energia, ela está relacionada com os fenômenos em que estão envolvidas as cargas elétricas, os movimentos dos elétrons.

Segundo o Dicionário Michaelis, a eletricidade é uma forma de energia natural e artificial relacionada aos elétrons, que se manifesta por atrações e repulsões, fenômenos luminosos, químicos e mecânicos. A energia elétrica existe em estado potencial, chamada de eletricidade estática, como tensão, ou em forma cinética, a chamada eletricidade dinâmica, como corrente.

A eletricidade é um termo geral que abrange uma variedade de fenômenos resultantes da presença e do fluxo de carga elétrica ou fluxo de elétrons, incluindo muitos fenômenos facilmente reconhecíveis, tais como relâmpagos ou raios (natural), eletricidade estática (natural ou artificial), e correntes elétricas em fios elétricos (artificial). Além disso, a eletricidade abrange conceitos menos conhecidos ou mais difíceis de entender e/ou compreender, como o campo eletromagnético e a indução eletromagnética.

As palavras energia elétrica e eletricidade tiveram origem ou raiz etimológica no termo em neolatim electricus, que por sua vez deriva do latim clássico electrum, termos esses criados a partir do termo grego ήλεκτρον ou elétrons, do século XV, e traduzido, inicialmente, para o português como âmbar.

A energia elétrica pode ser gerada por meio de fontes renováveis de energia, a força das águas e dos ventos, o sol e a biomassa, por exemplo, e não-renováveis, os combustíveis fósseis e nucleares, por exemplo. No Brasil, onde é grande o número de rios, foi adotada durante décadas seguidas, a opção hidráulica, que é, atualmente, a mais utilizada, e uma parte menor é gerada a partir de combustíveis fósseis, em usinas termoelétricas ou termelétricas, principalmente as usinas a gás natural.

Duas importantes formas emergentes de produção de eletricidade no Brasil são a energia eólica e a energia solar fotovoltaica que, a cada ano que passa, ganham mais destaque na matriz energética brasileira.

Sem dúvida alguma, a eletricidade é uma das maiores e mais importantes invenções da humanidade. Se fosse possível criar uma lista simples e didática com as maiores e mais importantes invenções científicas e tecnológicas realizadas pela humanidade, a energia elétrica estaria certamente entre elas, ao lado da roda, da escrita, do antibiótico, da anestesia e do analgésico, da vacina, do cimento, da panela de pressão, do tijolo, do tecido e da máquina de costura, da lâmpada, do sabão e do sabonete, do refrigerador ou geladeira, do motor a combustão, do plástico, do avião, do telefone, do automóvel, da caixa d'água ou reservatório e seus encanamentos relacionados, do rádio e da TV, do desodorante, do aço e do alumínio, da escova de dentes, da Internet, do satélite e da fibra ótica, entre outras.

NOMENCLATURA E TERMOS

Os principais conceitos, nomenclaturas, termos e símbolos específicos relacionados às tecnologias de geração, transmissão e distribuição de eletricidade, utilizados com frequência nos meios científicos, acadêmicos, empresariais e na administração pública são:

Carga elétrica: Propriedade das partículas subatômicas que determina as interações eletromagnéticas dessas. Matéria eletricamente carregada que produz e é influenciada por campos eletromagnéticos. No contexto do Sistema Internacional de Unidades é ampère segundo (A.s), unidade também denominada coulomb (C).

Campo elétrico: Efeito produzido por uma carga no espaço que a contém, o qual pode exercer força sobre outras partículas carregadas. No contexto do Sistema Internacional de Unidades é volt por metro (V/m), ou newton por coulomb (N/C), ambas equivalentes.

Potencial elétrico: Capacidade de uma carga elétrica realizar trabalho ao alterar sua posição. A quantidade de energia potencial elétrica armazenada em cada unidade de carga em dada posição. No contexto do Sistema Internacional de Unidades é volt (V), o mesmo que joule por coulomb (J/C).

Corrente elétrica: Quantidade de carga que ultrapassa ou passa por determinada seção condutora por unidade de tempo. No contexto do Sistema Internacional de Unidades é ampère (A), o mesmo que coulomb por segundo (C/s).

Potência elétrica: Quantidade de energia elétrica convertida por unidade de tempo. No contexto do Sistema Internacional de Unidades é watt (W), o mesmo que joules por segundo (J/s). Não confunda com potencial elétrico.

Energia elétrica: Energia armazenada ou distribuída na forma elétrica. No contexto do Sistema Internacional de Unidades é joule (J).

Eletromagnetismo: Interação fundamental entre o campo magnético e a carga elétrica, estática ou em movimento.

É bom que o internauta / leitor entenda a diferença entre voltagem e corrente. Apenas para efeito didático, para simplificar o máximo possível, para tornar inteligível esse conceito, a grosso modo podemos fazer uma analogia e/ou comparar a voltagem à pressão de água na torneira de casa. Se o reservatório ou a caixa d'água principal da empresa de saneamento estiver com nível baixo de água, a pressão de água nos canos de rua que levam água para os bairros também será baixa, e se a pressão de água nesses canos cair demais a população dos bairros de altitude mais elevada, os bairros mais altos, ficará sem água. A corrente de energia elétrica, por sua vez, pode ser comparada por simples analogia à velocidade ou volume de água que sai da torneira a cada segundo.

Ao contrário da água, a eletricidade não sofre os efeitos do campo gravitacional do planeta Terra, mas para transmissão de energia elétrica a grandes distâncias a voltagem nos cabos de transmissão deve ser altíssima.

GERAÇÃO DE ELETRICIDADE

Logo acima, uma magnífica obra da engenharia moderna, a usina hidrelétrica estatal binacional Itaipu, a segunda maior usina hidrelétrica do mundo, construída no Brasil, no Estado do Paraná, em parte das décadas de 1970 e 1980. Logo abaixo, mais uma magnífica obra de engenharia, a usina hidrelétrica de Três Gargantas ou Three Gorges, no rio Yangtze, na China, a maior do mundo, inaugurada em 2003. O Brasil e a China estão entre os maiores consumidores de energia elétrica do mundo.

A energia elétrica pode ser definida como a capacidade de uma corrente elétrica realizar um trabalho qualquer. Essa é uma das formas de energia mais conhecidas e pode ser obtida por meio da energia química (baterias e pilhas) ou da energia mecânica (hidrelétricas, por exemplo), neste caso através de uma combinação de fenômenos físicos que ocorrem em turbinas e geradores, que transformam essas formas de energia em energia elétrica.

A aplicação de uma diferença de potencial elétrico entre dois pontos de um condutor qualquer, gerando uma corrente elétrica entre seus terminais, dá origem ao que percebemos como energia elétrica.

A geração de energia elétrica é realizada por meio de diferentes tecnologias. As principais tecnologias empregadas na geração de energia elétrica aproveitam um movimento rotatório de uma peça metálica em torno de um eixo para gerar corrente elétrica alternada, sistema chamado de alternador. Esse movimento pode ter origem em uma fonte de energia mecânica direta e relativamente barata e abundante, praticamente inesgotável, como o fluxo de água ou o vento, ou de um ciclo termodinâmico, geralmente de preço relativamente mais alto e não tão abundante e não inesgotável, como a queima de gás natural, por exemplo.

A eletricidade pode ser produzida em grandes quantidades a partir de diversas fontes, são diversas origens e fontes de energia e diversos equipamentos utilizados para a sua produção. Em parte das tecnologias de ciclo termodinâmico de geração de eletricidade em larga escala se esquenta água e se consegue realizar um circuito de vapor, a partir de uma caldeira, por exemplo, que move um motor ou uma turbina. O calor desse processo se obtém mediante a queima de combustíveis fósseis, a queima de biomassa, reações nucleares ou, ainda, outros processos.

A geração de energia elétrica é uma atividade humana básica, absolutamente necessária para a manutenção da sua qualidade de vida, já que está diretamente relacionada com os requerimentos primários da humanidade. Várias formas de utilização de fontes de energia agridem, em maior ou menor medida, o nosso meio ambiente. Entre as formas menos agressivas ao meio ambiente estão a energia eólica e a energia solar fotovoltaica. Pode-se considerar então sustentáveis essas duas formas de geração de energia elétrica, quase perfeitas.

Ao contrário da energia elétrica contínua, não é tecnicamente e economicamente possível ou viável armazenar / conservar energia elétrica alternada em baterias para uso posterior por um tempo razoável.

TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO

Logo acima, caixas de distribuição de energia elétrica de um condomínio residencial. A medição do consumo de energia é feita de forma separada para cada unidade residencial, assim cada família paga apenas pelo que consome. Logo abaixo, um típico poste de distribuição de energia elétrica no Brasil, que também é utilizado para transmissão de sinais de telecomunicações por cabos.

A transmissão de eletricidade é o segmento de prestação de serviços responsável pelo transporte de energia elétrica desde as unidades de geração, as centrais elétricas, até os grandes centros de consumo. De modo geral, elas funcionam em altas tensões de eletricidade alternada, mas já existem alguns projetos no Brasil para transmissão de energia elétrica em alta tensão de corrente contínua.

A energia elétrica alternada é diferente de energia elétrica contínua. A primeira é usada geralmente e basicamente para transmissão e distribuição de eletricidade a grandes, médias e curtas distâncias, em altas, médias e baixas tensões ou voltagens, respectivamente, enquanto a segunda é usada quase sempre já dentro de aparelhos, como um computador ou TV, por exemplo. O próprio aparelho, ou os dispositivos externos que pertencem a ele, tem condições de converter energia alternada em energia contínua, são as chamadas fontes transformadoras.

Já as redes de distribuição de energia elétrica fazem parte de um segmento do sistema elétrico composto pelas redes elétricas primárias, que são as redes de distribuição de média tensão, e as redes secundárias, que são as redes de distribuição de baixa tensão, cuja construção, manutenção e operação de ambas é de responsabilidade das companhias distribuidoras de eletricidade e/ou das empresas terceirizadas contratadas por elas.

Por exemplo: A CPFL, a AES Eletropaulo, a Energisa, a Cemig e a Copel são as concessionárias responsáveis pela transmissão e distribuição de energia elétrica para clientes pessoas físicas e jurídicas nos estados de São Paulo, Mato Grosso do Sul, Minas Gerais e Paraná, respectivamente, para indústrias, residências, para órgãos governamentais, para entidades filantrópicas e para o comércio dentro desses estados. Essa transmissão é realizada por meio de cabos de alumínio e aço e outros condutores, dispositivos e equipamentos que formam as linhas de transmissão e os sistemas de distribuição.

As redes de distribuição primárias são circuitos elétricos trifásicos (três fases), com três cabos ligados nas subestações de distribuição. Normalmente são construídas nas classes de tensão 15 kV, 23 kV ou 34,5 kV, lembrando que cada kV equivale a 1.000 volts. Nessas classes de tensão, as tensões nominais de operação poderão ser 11 kV, 12,6 kV, 13,2 kV, 13,8 kV, 21 kV, 23 kV, 33 kV ou 34,5 kV. Os níveis de tensão 13,8 kV e 34,5 kV são padronizados pela legislação vigente.

Nas redes de distribuição primárias, estão instalados os transformadores de distribuição, fixados em postes, cuja função é rebaixar o nível de tensão primário para o nível de tensão secundário, como, por exemplo, rebaixar de 13,8 kV, o equivalente a 13.800 volts, para 220 volts, sendo esta uma tensão comum e segura para ser usada em residências, por exemplo.

As redes de distribuição secundárias são circuitos elétricos trifásicos a quatro fios, sendo três fases e um neutro. Elas normalmente operam nas tensões (fase-fase / fase-neutro) 230 volts / 115 volts, 220 volts / 127 volts e 380 volts / 220 volts. Nessas redes estão ligados os consumidores, que são residências, pequenos estabelecimentos comerciais, órgãos governamentais e instituições filantrópicas que ocupam pequenos imóveis, e também as luminárias da iluminação pública. Essas redes atendem os grandes centros de consumo.

Os estabelecimentos grandes, como edifícios, estabelecimentos comerciais e industriais maiores, órgãos governamentais que ocupam imóveis grandes e grandes instituições filantrópicas, como grandes hospitais de referência, por exemplo, consomem mais eletricidade e necessitam de transformadores individuais de 75 kVA, 112,5 kVA e 150 kVA. Em alguns desses casos, a tensão de fornecimento é de 380 volts / 220 volts ou 440 volts / 254 volts.

Todo o sistema de distribuição é protegido por um sistema composto por disjuntores automáticos nas subestações onde estão ligadas as redes primárias, e com chave fusível nos transformadores de distribuição de rua, que em caso de curto-circuito desligam a rede elétrica. Um curto-circuito é um contato acidental direto entre dois condutores elétricos, dois cabos ou dois fios, por exemplo, que provoca a acentuada descarga direta de corrente elétrica, causando um excesso de consumo de energia no ponto de contato e, consequentemente, superaquecimento no ponto de contato acidental, aumentando o risco de danos contra o próprio sistema elétrico, contra o patrimônio e vidas humanas próximos ao local do acidente.

Atenção: Jamais suba em um poste de rua para distribuição de energia elétrica sem ter habilitação profissional e autorização para isso, não solte pipas próximo às redes de transmissão e distribuição de eletricidade, jamais use qualquer objeto para tocar nesses cabos, por qualquer motivo que seja, e, se você mora em sobrado residencial ou no primeiro andar de prédio residencial, nunca use a sacada para tocar ou se aproximar dos cabos de transmissão de eletricidade...

Se você tem crianças na residência, solicite a fixação de redes de segurança em sacadas para evitar que crianças toquem em cabos de alta tensão para transmissão de eletricidade... Não seja negligente e descuidado, o corpo humano não suporta alta tensão...

ELETRICIDADE NA ANTIGUIDADE

Logo acima, uma ilustração do cientista Tales de Mileto, um dos principais responsáveis pela compreensão inicial do fenômeno da energia elétrica. Logo abaixo, o cientista italiano Alessandro Volta, o inventor da pilha, em 1799.

Embora os primeiros avanços científicos relevantes na área relacionada à eletricidade remontem aos séculos XVII e XVIII, os fenômenos elétricos têm sido percebidos e estudados desde a antiguidade. Contudo, antes dos avanços científicos concretos na área, as aplicações práticas para a eletricidade permaneceram muito limitadas durantes séculos, e tardaria até o final do século XIX para que engenheiros, empresários e a administração pública fossem capazes de disponibilizá-la ao uso industrial, residencial e comercial, possibilitando assim seu uso generalizado.

A rápida expansão da tecnologia elétrica a partir do início século XX transformou a indústria e a sociedade da época. A extraordinária versatilidade da eletricidade como fonte de energia levou a um conjunto numeroso de aplicações, conjunto que em tempos modernos certamente inclui as aplicações nos setores de transporte, climatização de ambientes, iluminação, refrigeração de alimentos, fabricação em larga escala de alimentos e vestuários, telecomunicações, computação e medicina. A energia elétrica é a espinha dorsal da sociedade industrial moderna, e provavelmente continuará assim por tempo indeterminado, até que se consiga criar e desenvolver outro tipo de energia mais eficiente e mais segura.

Muito tempo antes de qualquer conhecimento científico concreto sobre a eletricidade, as pessoas já estavam cientes dos choques desferidos pelo peixe-elétrico, por exemplo. No Antigo Egito, por exemplo, remontando ao ano de 2750 a.C, havia textos que referiam-se a esse peixe como o "trovão do Nilo", descrevendo-o como o protetor de todos os outros peixes. Encontra-se o peixe-elétrico também retratado em documentos e estudos antigos realizados por naturalistas e médicos que viveram na Grécia Antiga, no Império Romano e na região da civilização islâmica. Vários escritores antigos, como Caio Plínio Segundo e Scribonius Largus, atestaram consciência do efeito anestesiante dos choques elétricos do peixe-gato e da arraia elétrica ou raia elétrica, e de que os choques elétricos podem viajar ao longo de certos objetos condutores de eletricidade.

Na época, os pacientes que sofriam de gota e de dor de cabeça eram aconselhados a tocar o peixe-elétrico na esperança de que os poderosos choques elétricos desferidos por esse animal pudessem curá-los.

As primeiras referências relacionadas às propriedades de eletricidade do raio e à existência de outras fontes diferentes de eletricidade são possivelmente as encontradas junto aos árabes, que seguramente já empregavam antes do século XV a palavra raad em seu idioma, traduzindo para o português raio, a fim de se fazer referência às arraias elétricas.

Nas culturas antigas ao longo de todo o Mediterrâneo sabia-se que determinados objetos, como fragmentos de âmbar, por exemplo, ganham a propriedade de atrair pequenos e leves objetos, tais como penas, após atritados com pele de gato ou similar. Por volta do ano 600 a.C. Tales de Mileto fez uma série de observações sobre eletricidade estática, as quais levou-o a acreditar que o atrito era necessário para produzir magnetismo no âmbar, em visível contraste com o que se observa em minerais como magnetita, que não precisam de fricção.

A percepção da existência das cargas elétricas por Tales de Mileto, na Grécia antiga, foi fundamental para o início da evolução tecnológica na área relacionada a energia elétrica, porém Thales se equivocou ao acreditar que a atração era devida a um efeito magnético e não a um efeito elétrico, havendo a ciência evidenciado de forma correta a relação ou ligação que Thales esboçou entre eletricidade e magnetismo somente milênios mais tarde, por meio da experiência de Ørsted, em 1820 d.C.. Há uma teoria controversa sobre os habitantes da região de Parthia, nordeste do atual Irã, de que naquele tempo já conheciam a galvanoplastia, baseando-se tal afirmação na descoberta de 1936 da bateria de Bagdá, artefato que de fato, embora incerta a natureza elétrica do mesmo, em muito se assemelha a uma célula galvânica.

CRIAÇÃO E DESENVOLVIMENTO

Logo acima, o brilhante cientista Nicola Tesla, de nacionalidade croata, austríaca e americana, um dos principais responsáveis por tornar tecnicamente e economicamente viável a geração, a transmissão e a distribuição, em larga escala, da eletricidade alternada no mundo moderno. Logo abaixo, um de seus principais parceiros comerciais, o empresário americano George Westinghouse, também um pioneiro do sistema de transmissão de eletricidade alternada.

A eletricidade permaneceria uma curiosidade intelectual por milênios, pelo menos até o ano 1600, quando o cientista inglês William Gilbert publicou um estudo cuidadoso sobre magnetismo e eletricidade, o De Magnete, entre outros, distinguindo de forma pertinente o efeito da pedra-imã e o da eletricidade estática produzida ao se esfregar o âmbar com outro material. Foi ele quem cunhou a palavra neolatina electricus, significando "de âmbar" ou "como âmbar", deήλεκτρον ou elektron, a palavra grega para âmbar, para referir-se à propriedade do âmbar e de outros corpos atraírem pequenos objetos depois de friccionados.

Essa associação deu origem às palavras inglesas electric e electricity, que fez sua primeira aparição na imprensa nas páginas de Pseudodoxia Epidemica, obra de Thomas Browne, em 1646. Também encontram-se aí as raízes das palavras portuguesas elétrico e eletricidade. Outros trabalhos sérios seguiram-se, sendo esses conduzidos por pessoas como Otto von Guericke, Robert Boyle, Stephen Gray e Charles Du Fay.

No século XVIII, o jornalista, funcionário público, cientista e diplomata americano Benjamin Franklin desenvolveu uma grande pesquisa sobre a eletricidade, que foi documentada por Joseph Priestley em 1767 no livro History and Present Status of Electricity, com quem Franklin trocou correspondências.

No século XVIII, Benjamin Franklin realizou uma ampla pesquisa sobre a eletricidade, inclusive vendendo seus bens para financiar seu trabalho. É a ele atribuído o ato de, em junho de 1752, ter prendido uma chave de metal próxima à barbela de uma pipa e, com a chave atada à linha umedecida, tê-la feito voar em uma tempestade ameaçadora. Não há certeza de que Franklin pessoalmente realizou de fato esse experimento, mas o ato é popularmente atribuído a ele. Uma sucessão de faíscas saltando de uma segunda chave atada à linha para o dorso da sua mão teria então mostrado-lhe de maneira contundente que o raio tem, de fato, uma natureza elétrica.

Em 1791, Luigi Galvani publicou sua descoberta da bioeletricidade, demonstrando que é por meio da eletricidade que as células nervosas passam sinais do cérebro para os músculos.

A pilha voltaica de Alessandro Volta, ou simplesmente bateria, datada de 1800 e feita a partir de camadas alternadas de zinco e cobre, forneceu aos cientistas uma fonte mais confiável e estável de energia elétrica do que as antigas máquinas eletrostáticas. O advento do eletromagnetismo, união da eletricidade e do magnetismo, é creditada à dupla Hans Christian Ørsted e André-Marie Ampère, com seus trabalhos remontando aos anos 1819 e 1820.

O cientista Michael Faraday inventou o motor elétrico em 1821 e Georg Ohm analisou matematicamente o circuito elétrico em 1827. A eletricidade e o magnetismo (e também a luz) foram definitivamente unidos por James Clerk Maxwell, em particular na obra On Physical Lines of Force, entre 1861 e 1862.

Embora o rápido progresso científico sobre a eletricidade remonte a séculos anteriores e ao início do século XIX, foi nas últimas décadas do século XIX e nas primeiras décadas do século XX que deram-se os maiores progressos na engenharia elétrica. Através dos estudos de Nikola Tesla, Galileo Ferraris, Oliver Heaviside, Thomas Edison, Ottó Bláthy, Ányos Jedlik, Sir Charles Parsons, Joseph Swan, George Westinghouse, Werner von Siemens, Alexander Graham Bell e Lord Kelvin, a eletricidade transformou-se então de uma curiosidade científica para uma ferramenta essencial na vida moderna, ou seja, transformou-se na força motriz da Segunda Revolução Industrial.

Pode-se dizer que Nikola Tesla, por exemplo, foi um dos principais e mais brilhantes cientistas focados no desenvolvimento de tecnologias para levar a eletricidade alternada até as residencias de milhões de pessoas. Ele e George Westinhouse firmaram uma parceria para popularizar a energia elétrica. A utilidade prática da energia elétrica como a desfrutamos hoje é uma consequência direta da inteligência e do espírito empreendedor de Tesla e Westinghouse, respectivamente.

O cientista e empresário Thomas Edison, o fundador da gigante norte-americana General Electric, também foi um dos responsáveis pela popularização da energia elétrica, com dezenas de patentes relacionadas ao emprego prático da energia contínua e alternada em residências, indústrias e no comércio, incluindo uma versão melhorada da lâmpada incandescente, na época considerada uma maravilhosa e impressionante invenção moderna.

FENÔMENOS ELÉTRICOS

Logo acima, a energia elétrica gerada a partir de sistemas eólicos é uma das mais novas e fortes tendências tecnológicas do mundo moderno. O futuro exige formas sustentáveis de geração de energia elétrica e a energia eólica certamente está entre elas. Logo abaixo, mais uma fonte praticamente inesgotável e quase totalmente limpa de energia elétrica, a energia solar fotovoltaica.

A carga elétrica é a propriedade dos entes físicos fundamentais, das partículas subatômicas, que dá origem e interage via forças eletromagnéticas, uma das quatro forças fundamentais na natureza. A carga na matéria extensa origina-se no átomo, sendo os portadores de carga mais conhecidos o elétron e o próton. A carga elétrica obedece a uma lei de conservação, o que significa que a quantidade líquida total de carga no interior de um sistema isolado sempre permanece constante, sendo a carga total essencialmente independente de qualquer mudança que ocorra no interior do sistema.

No interior de um sistema em que há eletricidade, a carga pode ser transferida entre corpos, quer pelo contato direto quer passando através de um material condutor, como um fio, por exemplo, ou mesmo através de portadores de carga movendo-se livremente no vácuo.

A expressão tradicional eletricidade estática se refere à presença de carga, ou melhor, de um desequilíbrio de cargas em um corpo, o que é geralmente causado quando se tem materiais quimicamente diferentes esfregados entre si, o que leva à transferência de cargas de um para o outro.

A presença de carga dá origem à força eletromagnética. Essas cargas exercem força uma sobre a outra, efeito certamente conhecido, embora não compreendido, já na antiguidade. A força atua sobre as cargas propriamente ditas, e assim as cargas têm a tendência de se distribuir de forma mais uniforme ou conveniente possível sobre superfícies condutoras.

As cargas do próton e do elétron são opostas em sinal, o que significa que uma quantidade de carga pode ser ou positiva ou negativa. Por convenção e por razões históricas, a carga associada a um elétron é considerada a negativa, e a carga associada a um próton é considerada positiva, um costume que originou-se com os trabalhos de Benjamin Franklin. A quantidade de carga é usualmente representada pelo símbolo Q e expressa em coulombs, cada elétron transportando a mesma carga fundamental cujo valor é aproximadamente -1,6022x10−19 coulomb. O próton tem carga igual em módulo, contudo oposta em sinal, +1,6022x10−19 coulomb. Não apenas partículas de matéria possuem carga mas também as partículas de antimatéria, cada partícula carregando uma carga de igual valor mas de sinal oposto ao da carga da sua correspondente antipartícula.

Cargas elétricas podem ser medidas de diferentes formas, um dos mais antigos instrumentos sendo o eletroscópio de folhas, que embora ainda em uso em demonstrações escolares, já há muito tempo foi substituído pelos eletrômetros (coulombímetros) eletrônicos.

Já o conceito de campo elétrico foi introduzido por Michael Faraday ainda no século XIX, contudo sua adoção inicialmente como ferramenta matemática para o tratamento dos problemas correlatos tornou-se tão frutífera que hoje é praticamente impossível conceber-se um tratamento mais aprofundado em eletricidade, magnetismo ou eletromagnetismo sem que se lance mão do mesmo. As equações de Maxwell são todas escritas em função dos campos elétricos e magnéticos.

Falando sobre campo eletrostático, toda carga elétrica cria no espaço que a contém um campo elétrico, e qualquer carga elétrica imersa em um campo que não o campo por ela mesma criado encontra-se solicitada por uma força elétrica em virtude do mesmo. O campo elétrico age entre dois corpos carregados de uma maneira semelhante à ação do campo gravitacional entre duas massas, e assim como este, estende-se até o infinito, exibindo contudo uma relação com o inverso do quadrado da distância, de forma que, se a distância aumentar, muito menor será seu efeito.

Embora a analogia seja válida, há entretanto uma importante diferença entre os campos eletrostáticos e os campos gravitacionais. A gravidade sempre implica atração entre as massas, contudo a interação entre um campo e a carga pode expressar atração ou repulsão entre as cargas elétricas. A princípio, como os grandes corpos massivos no universo, como, por exemplo, planetas e estrelas, quase sempre não têm carga elétrica em si mesmos, exceto pelos fenômenos naturais meteorológicos nas atmosferas de alguns planetas conhecidos, os campos elétricos desses valem zero, de forma que a força gravitacional é de longe a força dominante ao considerarem-se dimensões astronômicas. Os movimentos dos corpos celestes são devidos essencialmente à gravidade que geram e que neles agem.

A eletrostática é o estudo das cargas elétricas estacionárias e dos campos elétricos criados por essas cargas. Os princípios científicos da eletrostática são importantes em projetos de equipamentos para trabalho sobre alta tensão elétrica. Há um valor finito de campo elétrico admissível para cada meio diferente. Além desse limite, ocorre uma rutura (ou ruptura, antes do novo acordo ortográfico da língua portuguesa) dielétrica acompanhada de arco elétrico entre as partes carregadas envolvidas. Por exemplo, o ar confinado entre pequenas frestas com campos elétricos superiores a 30.000 volts ou 30 quilovolts por centímetro levam à rutura dielétrica. A forma mais natural de se visualizar tal situação é observar os raios, usualmente provocados por tensões elétricas tão grandes quanto 100 megavolts, o equivalente a 100 milhões de volts, implicando dissipações de energia usualmente da ordem de 250 kWh.

A intensidade do campo elétrico é consideravelmente afetada nas proximidades de objetos condutores, sendo particularmente intenso nas proximidades de extremidades pontiagudas. Esse princípio científico é explorado nos para-raios, onde as pontas em sua extremidade elevada atuam de forma a possibilitar que os raios os atinjam em detrimento das estruturas abaixo, de forma a proteger estas.

Um condutor oco e/ou estrutura metálica oca carrega (m) todas as suas cargas em sua superfície. O campo por elas determinado é zero em todos os pontos internos ao corpo. Esse é o princípio científico de funcionamento da chamada gaiola de Faraday. Uma espécie de blindagem condutora isola todo o seu interior de efeitos eletrostáticos externos.

O conceito de potencial elétrico encontra-se intimamente relacionado com o conceito de campo elétrico. Uma pequena carga, quando imersa em um campo elétrico criado por objetos carregados ao seu redor, fica solicitada por uma força elétrica, e movê-la de um ponto a outro no interior implica trabalho.

O campo eletrostático exibe todas as propriedades de um campo conservativo, o que implica em essência dizer que a trajetória a ser seguida pela carga no seu movimento é irrelevante. Os diversos trajetos que levam a carga de um ponto a outro especificados implicam o mesmo trabalho elétrico, e um único valor para a diferença de potencial entre os dois pontos pode ser especificado. O volt encontra-se tão correlacionado à medida e descrição da diferença de potencial entre dois pontos que o termo deu origem à expressão voltagem, uma expressão que, embora muito desencorajada, encontra amplo uso no dia a dia como sinônimo para diferença de potencial.

Para fins práticos mostra-se útil definir um ponto de referência comum a partir do qual as diferenças de potencial são expressas e comparadas. Embora o ponto de referência possa ser escolhido no infinito, uma referência muito mais útil e popular é fornecida pelo planeta em que vivemos, que dadas as propriedades físico-químicas e anatômicas, possui, para todos os efeitos, o mesmo potencial ao longo de toda a sua superfície. Assim, pontos de referência diretamente conectados à terra não apresentam diferença de potencial entre si e recebem naturalmente o nome de terra (com inicial minúscula) ou massa. O terra elétrico é uma fonte inesgotável de cargas positivas ou negativas, podendo fornecê-las ou absorvê-las conforme o requisitado pelo experimento sem contudo tornar-se eletricamente carregado. Um ponto de terra ideal encontra-se pois sempre eletricamente neutro. O planeta Terra (com inicial maiúscula) constitui contudo excelente aproximação à definição ideal. Em redes alternadas encontra-se uma nomenclatura similar, o chamado fio neutro, que embora geralmente aterrado, constitui-se em princípio como um fio diferente do fio terra.

O potencial elétrico é uma grandeza escalar, ou seja, é uma grandeza que fica completamente especificada ao estabelecer-se a sua magnitude com a devida unidade, não requerendo para tal a especificação de direção ou sentido. Uma analogia é geralmente feita, assim como um objeto move-se entre pontos com diferentes alturas devido ao campo gravitacional, uma carga elétrica move-se entre pontos com diferentes potenciais devido ao campo elétrico.

O campo elétrico foi definido inicialmente como a força elétrica exercida sobre cada unidade de carga, mas o conceito de potencial permite uma definição equivalente, contudo muito mais prática. O campo elétrico corresponde ao negativo do gradiente do potencial elétrico. Nesse caso, de forma equivalente, usualmente expresso em volts por metro, a direção do vetor campo elétrico em um ponto corresponde à direção que leva ao mais rápido aumento no potencial elétrico, em sentido que leva contudo às regiões onde as linhas de campo, e as equipotenciais, encontram-se menos densas. As linhas de campo orientam-se de pontos de maior potencial para pontos de menor potencial.

A potência elétrica é uma grandeza física que busca mensurar a quantidade de energia que está sendo convertida para a forma elétrica ou da elétrica em outras formas a cada unidade de tempo considerada. Não se deve confundir potência elétrica com potencial ou mesmo diferença de potencial elétricos, sendo essas grandezas completamente distintas por definição. Ao passo que o potencial e a diferença de potencial elétricos são medidos em volts (V), a potência elétrica é medida em watts (W). Uma potência de 1 watt corresponde à conversão de 1 joule de energia a cada segundo.

As tensões elétricas básicas, eficazes e típicas de redes elétricas no Brasil, conforme disponibilizada nas residências dos usuários, é de 127 e 220 volts nos estados brasileiros e no Distrito Federal. Uma lâmpada incandescente comum opera sob uma corrente calculável de aproximadamente 0,47 ampères quando submetida a 127 volts. Na lâmpada vêm usualmente grafados não os valores da tensão e corrente, mas sim os valores da diferença de potencial (tensão) e da potência, no caso, respectivamente 127V versus 60W (na lâmpada encontra-se a notação 127V x 60W), indicando que, quando submetida a uma tensão de 127 volts especificada, a lâmpada opera de forma a converter 60 joules de energia elétrica a cada segundo em outras formas de energia, ou seja, com uma potência de 60 watts. Nessas condições a lâmpada opera sob a corrente citada, facilmente calculável via relação apresentada de 0,47A.

É importante ressaltar que a potência elétrica especifica quanta energia elétrica estará sendo convertida para outras formas a cada período de tempo, e não quanta energia elétrica está sendo convertida para a forma útil desejada a cada período. Na lâmpada incandescente citada, por exemplo, dos 60 joules de energia elétrica convertidos a cada segundo, apenas uma pequena parcela dessa energia acaba efetivamente na forma de luz na faixa visível do espectro perceptível ao olho humano.

Em lâmpadas fluorescentes e LED o desperdício de energia é consideravelmente menor, sendo bem maior a parcela da energia elétrica convertida que acaba na forma luminosa desejável. O rendimento bem maior das lâmpadas fluorescentes e LED, se comparadas às incandescentes, é mais que suficiente para justificar o seu uso preferencial em detrimento dessas últimas. Uma lâmpada fluorescente substituta típica, por exemplo, cuja potência é de meros 13 watts, é plenamente capaz de prover uma iluminação equivalente à da lâmpada incandescente de 60 watts citada, a exemplo.

Não há duvidas de que na sua época a lâmpada incandescente foi uma maravilha inventada pelo ser humano, um grande avanço tecnológico, mas atualmente o seu uso comum, em residências, principalmente, não é mais economicamente viável.

CIRCUITO ELÉTRICO

Logo acima, diagrama de um circuito elétrico simples, com uma fonte de energia, à esquerda, e um resistor, à direita. Logo abaixo, um exemplo simples e barato de fonte transformadora, usada em aparelhos eletrônicos.

Um circuito elétrico é uma interconexão de componentes elétricos de tal forma que a carga elétrica flui ao longo de um caminho fechado, ou seja, ao longo de um circuito, geralmente com o objetivo de transferir-se energia e executar alguma tarefa útil. A principal utilidade da eletricidade é originar outros tipos de energia, como a energia mecânica e a energia térmica, por exemplo.

Existem componentes elétricos dos mais variados tipos e utilidades, encontrando-se em um circuito elétrico não raro peças como resistores, capacitores, indutores, transformadores e interruptores. Os circuitos eletrônicos usualmente contêm componentes ativos, geralmente semicondutores, os quais caracterizam-se pelo funcionamento não-linear e demandam análise mais avançada. Já os componentes elétricos, mais simples, são chamados passivos ou lineares, embora possam armazenar temporariamente energia, eles não constituem fontes da mesma, e apresentam respostas lineares aos estímulos elétricos aos quais são aplicados.

O resistor é o componente mais simples entre os passivos. Como o nome sugere, o resistor limita a corrente que pode fluir através do circuito, ele transforma toda a energia elétrica que recebe em energia térmica, essa transferida ao ambiente que o cerca via calor. Ao passo que o nome resistor designa geralmente o componente em si, a resistência elétrica é uma propriedade dos resistores que busca mensurar o efeito resistivo. Mostra-se diretamente relacionada à oposição e à forma como os portadores de carga elétrica se movem no interior de um condutor ou semicondutor. Nos metais, por exemplo, a resistência é principalmente atribuída às colisões entre os elétrons e os íons. Impurezas e imperfeições na estrutura contribuem em muito para o aumento da resistência a ponto de justificar o processo de purificação ou refinamento pelo qual os metais são submetidos antes da confecção de estruturas condutoras como os fios ou barramentos elétricos.

Aliás, a prata e o ouro são alguns dos metais com melhor condutividade elétrica que existem, porém têm preço mais elevado pois estão disponíveis em menor quantidade no planeta Terra. Já o cobre é um bom condutor elétrico e está disponível em boa quantidade no planeta em que vivemos, por isso tem boa relação custo benefício e é usado em larga escala na fabricação de fios e cabos elétricos. Para transmissão de eletricidade a longas distâncias são utilizados cabos de alumínio e aço.

A Lei de Ohm é uma lei básica da teoria dos circuitos elétricos e eletrônicos. Ela estabelece que a corrente presente em um resistor é diretamente proporcional à diferença de potencial entre os terminais do mesmo. A resistência elétrica de muitas estruturas materiais é relativamente constante em uma faixa de temperaturas e correntes, sendo em tais condições denominados ôhmicos. A unidade de resistência elétrica, o ohm, assim nomeada em homenagem ao cientista Georg Ohm, é simbolizada pela letra grega Ω. Assim, 1 Ω é a resistência de um resistor que desenvolve entre seus terminais uma diferença de potencial de um volt quando submetido a uma corrente de um ampère, ou vice-versa.

O capacitor é um dispositivo capaz de armazenar carga elétrica bem como energia elétrica no campo elétrico resultante. Conceitualmente, ele é composto por duas placas condutoras paralelas separadas por uma fina camada isolante. Na prática, são compostos por duas lâminas finas de metal separadas por uma lâmina de material isolante, todas enroladas juntas de forma a aumentar a área de superfície por unidade de volume e, portanto, a capacitância.

A unidade de capacitância usada mundialmente é o simbolo F, em homenagem ao cientista Michael Faraday. Assim, 1 F é a capacitância de um capacitor que desenvolve em seus terminais uma diferença de potencial de um volt quando nele encontra-se armazenada uma carga elétrica de um coulomb, ou vice-versa. A capacitância de um capacitor é determinada através da razão entre a carga que esse armazena e a tensão elétrica em seus terminais, do que decorre a igualdade: 1F = 1C / 1V.

Um capacitor ligado a uma fonte de tensão constante permite inicialmente a presença de uma corrente intensa durante o processo inicial de acúmulo de carga, essa corrente entretanto decai gradualmente à medida que o capacitor acumula carga e a tensão elétrica em seus terminais aumenta, e eventualmente anula-se após o tempo necessário à carga completa do capacitor, situação onde a tensão em seus terminais iguala-se à da fonte de energia. Um capacitor, portanto, não permite em tais situações a existência de correntes estacionárias ou correntes contantes, ao contrário, as impede.

O indutor é um condutor, geralmente uma bobina ou enrolamento de fio encapado, que armazena energia no campo magnético que surge em resposta à corrente que flui através dele. Quando a corrente altera-se o campo magnético também altera-se, e há, nesse momento, em consequência da lei da indução de Faraday, a indução de uma tensão elétrica entre os terminais do indutor. Verifica-se que a tensão induzida é proporcional à taxa de variação da corrente, sendo tanto maior quanto mais rápido se der a mudança na corrente.

A constante de proporcionalidade é a chamada indutância do indutor. A unidade de indutância é henry, assim nomeada em homenagem ao cientista Joseph Henry, um contemporâneo de Faraday. Um henry é a indutância de um indutor que desenvolve uma diferença de potencial de um volt entre seus terminais quando a corrente entre os mesmos varia à taxa de um ampère por segundo. O comportamento elétrico do indutor é, em vários aspectos, inverso ao do capacitor. Ao passo que os capacitores opõem-se às mudanças repentinas na tensão entre seus terminais mas em nada limitam as correntes neles, os indutores opõem-se às mudanças repentinas na corrente, mas em nada limitam as tensões entre seus terminais.

Dadas as características complementares, a união de um capacitor e de um indutor produz um circuito elétrico ressonante, o conhecido circuito LC, no qual observa-se a troca constante de energia entre o indutor e o capacitor e vice-versa. A tensão e a corrente no circuito alteram-se continuamente em um padrão senoidal cujo período depende dos valores da capacitância e da indutância dos componentes envolvidos. O acréscimo de uma parcela resistiva leva ao também bem estudado circuito RLC, no qual oscilações amortecidas são observadas.

CONDUTORES E ISOLANTES

Conforme antes definido, chama-se corrente elétrica o fluxo ordenado de elétrons em uma determinada seção, trecho ou parte de material condutor qualquer, sempre através dele, por meio dele. A corrente contínua tem um fluxo constante, enquanto a corrente alternada tem um fluxo de média zero, ainda que não tenha valor nulo todo o tempo. Esta definição de corrente alternada implica que o fluxo de elétrons muda de direção continuamente.

O fluxo de cargas elétricas pode gerar-se no vácuo ou em meio ao material adequado, caso no qual o material é então caracterizado como um condutor elétrico, mas não existe ou mostra-se completamente desprezível nos materiais ditos isolantes. Em um fio, por exemplo, há a presença dos dois tipos de materiais, a capa do fio encerra em seu interior, visto ser os metais por definição bons condutores de eletricidade, tipicamente um metal dúctil ou flexível, o cobre, por exemplo, ao passo que a capa em si, dadas as necessidades de segurança e praticidade, é feita de material pertencente à classe dos bons isolantes elétricos.

É bom ressaltar que, a rigor, a prática mostra que não existe material isolante perfeito. Os materiais isolantes são aqueles cujas estruturas químicas implicam todos os portadores de carga fortemente presos em suas posições, de forma que portadores de carga não podem mover-se livremente através das estruturas desses materiais. São tipicamente compostos covalentes, onde os elétrons encontram-se fortemente ligados aos respectivos orbitais de ligação ou aos orbitais mais internos aos átomos da molécula, ou ainda sólidos iônicos, onde algo similar ocorre, não se encontrando, contudo, orbitais ligantes nesse caso.

Embora quando sujeitos a um campo elétrico moderado a localidade dos portadores de carga na estrutura material isolante se preserve, sob intensos campos elétricos as forças associadas podem ser suficientes para superar as forças que mantêm os elétrons ligados aos núcleos ou moléculas, caso no qual há uma rutura súbita na capacidade isolante do material. Este ioniza-se e, em um processo quase instantâneo, deixa de ser isolante, tornando-se um bom condutor elétrico mesmo que por um curto intervalo de tempo. O campo elétrico limite acima do qual o material isolante torna-se condutor é conhecido como rigidez dielétrica do material.

A origem dos raios durante tempestades fundamenta-se basicamente no princípio citado. As nuvens acumulam cargas elétricas até que a rigidez dielétrica do ar úmido seja atingida. No momento em que o material se torna condutor, as cargas fluem em um processo análogo a uma avalanche, entre o solo e a nuvem, ou entre nuvens, dando então origem ao efeito visual e sonoro característicos do fenômeno meteorológico, o raio e o trovão.

Por outro lado, uma acidental aplicação de uma tensão elétrica ao corpo humano, por exemplo, com aproximadamente 70% de água em sua composição, levaria a uma corrente elétrica através dos tecidos, e embora a relação entre ambas as grandezas não seja linear, quanto maior a tensão, maior a corrente. Embora o limiar de percepção mostre-se significativamente dependente da frequência da fonte elétrica e do caminho da corrente através do corpo, sob certas condições uma corrente tão baixa quanto a de alguns microamperes já mostra-se perceptível através do efeito eletrovibratório que provoca. Se a corrente for suficientemente alta, ela poderá facilmente induzir a contração muscular, a fibrilação do coração e queimaduras significativas nos tecidos. A partir de uma certa voltagem a parada cardíaca é inevitável e torna-se necessário um procedimento adequado de massagem cardíaca...

A ausência de qualquer sinal visível de que um condutor encontra-se eletricamente energizado torna a eletricidade particularmente perigosa. A dor causada por um choque elétrico pode ser intensa, levando-a a ser usada por regimes ditatoriais e totalitários como método de tortura. A morte causada por choque elétrico é chamada de eletrocussão. Embora venha tornando-se cada vez mais rara em dias recentes, a eletrocussão ainda é uma forma de execução penal empregada em várias jurisdições ao redor do mundo.

MATRIZ ENERGÉTICA

A expressão matriz energética é usada para definir um conceito e quantificar a proporção e a quantidade de fontes de energia de uma nação, de um continente ou do planeta em que vivemos. É uma representação proporcional e quantitativa, em porcentagem e outras forma de medição, de todos os recursos energéticos disponíveis em um país, em um continente ou no planeta. A humanidade é um gigantesco consumidor de eletricidade, de carvão mineral e de derivados de petróleo, incluindo o gás natural, o GLP ou gás liquefeito de petróleo, o querosene, o diesel e a gasolina.

No início do século XX, a matriz energética da planeta Terra estava concentrada no petróleo (diesel, querosene e gasolina), no gás natural e no carvão mineral, o que significa que esses três eram os protagonistas da matriz energética. A partir de então a energia elétrica passou a ganhar cada vez mais espaço, até assumir também uma posição de protagonismo. Para o futuro, a tendência de longo prazo é que essas três fontes cedam espaço para fontes sustentáveis de geração de energia elétrica, principalmente a energia hidrelétrica, a energia eólica e a energia solar, o que na prática já está acontecendo gradativamente.

A expressão matriz elétrica representa um sub-grupo da matriz energética, pois dá uma visão da proporção e da quantidade de energia elétrica gerada por um país, um continente ou pelo planeta. A matriz elétrica não é a mesma coisa que matriz energética, pois matriz energética quer dizer algo mais amplo, outras fontes de energia, que não necessariamente a energia elétrica. Por exemplo, a gasolina é uma fonte energética, não necessariamente uma fonte de eletricidade, mas uma fonte de energia usada em automóveis, para gerar movimento, por exemplo.

As principais fontes de energia no Brasil são:

Petróleo;
Energia hidrelétrica;
Gás natural;
Energia eólica;
Energia solar fotovoltaica;
Biomassa;
Outras;

O óleo diesel e o gás natural são usados no Brasil para gerar energia elétrica.

MERCADO

Hoje em dia a energia elétrica é uma das principais fontes de energia do mundo. De modo geral, dos pontos de vista econômico, político, empresarial, social e da administração pública melhorar e ampliar sistemas de infraestrutura de transporte e telecomunicações, melhorar a oferta das diversas formas de energia e universalizar o saneamento básico, a educação, a saúde e a segurança pública são condições fundamentais para que qualquer país no mundo de desenvolva adequadamente.

Segundo economistas, acadêmicos, jornalistas e empresários o Brasil precisa investir maciçamente, pelos próximos 10 anos, pelo menos 5% do seu PIB – Produto Interno Bruto em infraestrutura em geral para alcançar um grau de desenvolvimento econômico e social razoável.

Depois do início de um amplo programa de privatizações e modernizações de infraestrutura, telecomunicações e de outros segmentos da economia, iniciado na década de 1990 pelos então presidentes da república Itamar Franco e Fernando Henrique Cardoso, que teve continuidade, com ou sem adaptações, ajustes e melhorias, na década de 2000 e nos anos recentes, pelos então presidentes da república Luiz Inácio Lula da Silva, Dilma Rousseff e Michel Temer e, atualmente, pelo presidente Jair Bolsonaro, o próximo passo óbvio é o aprofundamento e aperfeiçoamento dessas políticas, que embora não perfeitas, trouxeram algumas melhorias ao setor de infraestrutura no Brasil.

O termo matriz energética é usado para definir a proporção e a quantidade das fontes de energia consumidas pela população de um país. O petróleo, o gás natural, o carvão mineral e a eletricidade são as formas de energia mais consumidas no mundo. A energia elétrica, por exemplo, é um tipo de energia consumida em larga escala em qualquer país do mundo. A matriz de energia elétrica do Brasil é composta basicamente por cerca de 80% de fontes chamadas renováveis, ou seja, aquelas fontes que causam relativamente baixo, médio ou praticamente nenhum impacto negativo ao meio ambiente, incluindo usinas hidrelétricas, usinas eólicas e sistemas de geração de energia solar.

Embora o Brasil seja criticado há décadas, lá fora, por “não cuidar bem” de suas florestas, “permitindo”, inclusive, o desmatamento desenfreado e os incêndios florestais (“acusações” até certo ponto razoáveis e procedentes, é verdade), o País conseguiu, ao longo das décadas, diversificar as suas fontes de energia elétrica, a grande maioria sustentável e/ou de baixo ou médio impacto ambiental, ao contrário de muitos outros países, que deram preferência a fontes altamente poluidoras.

A tendência tecnológica e de mercado para o futuro da geração, da transmissão e da distribuição de energia elétrica no Brasil é o aumento ainda maior da participação das chamadas fontes renováveis de energia elétrica, incluindo as pequenas centrais hidrelétricas, as usinas eólicas e a energia solar. Já a energia gerada a partir de sistemas que usam a biomassa como fonte, incluindo o bagaço de cana de açúcar das muitas usinas de álcool brasileiras, também pode ser uma fonte razoável de geração de energia, mas para o seu pleno desenvolvimento e viabilidade econômica é necessária a redução da carga tributária sobre a cadeia produtiva dessa fonte de energia.

Ao que parece, já que não é possível prever com certeza como pensará os próximos governos federais, estaduais e municipais brasileiros nos próximos 10 anos, o Brasil dará prioridade às fontes estáveis e ambientalmente seguras de geração de energia elétrica, incluindo a energia hidrelétrica, a energia eólica e a energia solar fotovoltaica, esta gerada também em residências e seu excedente introduzido no sistema de distribuição pública de energia elétrica em larga escala, por meio de dispositivos eletrônicos.

Em 2013, cerca de 66% do número total de megawatts de eletricidade gerado e consumido no Brasil, o equivalente a cerca de 83 gigawatts, o equivalente a 83.000 megawatts, foi proveniente de usinas hidrelétricas. As chamadas pequenas usinas hidrelétricas geraram cerca de 5% do total e as usinas térmicas de biomassa, principalmente aquelas que usam bagaço de cana de açúcar como combustível, geraram cerca de 8% do total. As usinas eólicas geraram em 2013 cerca de 2% do total de energia elétrica consumida no Brasil. As usinas térmicas a gás e nucleares foram responsáveis no Brasil por cerca de 11% e 2% do total de energia gerado no Brasil, respectivamente.

Atualmente, a energia eólica já representa cerca de 8% do total de energia elétrica consumida no Brasil, enquanto a energia solar representa 1%, mas com tendência de alta para os próximos anos. Há previsões de que elas chegarão, juntas, a representar 15% na matriz energética de eletricidade brasileira em no máximo 10 anos, assumindo efetivamente um lugar entre as principais fontes de energia elétrica no Brasil.

O Brasil só tem duas usinas nucleares atualmente em funcionamento, ambas no município de Angra dos Reis, no litoral do Estado do Rio de Janeiro. Uma terceira usina nuclear está em fase de construção no Brasil, ainda não está em operação.

As usinas de álcool e açúcar brasileiras têm condições de gerar aproximadamente 15 gigawatts, o equivalente a 15.000 megawatts, de energia elétrica para atender o mercado brasileiro, bastando para isso melhores condições tributárias para tornar economicamente viável a geração e a transmissão para o consumo residencial, industrial e do setor de serviços no Brasil. Apenas para que se possa ter uma noção do que significa 15 gigawatts, basta dizer que é o equivalente à geração de uma usina hidrelétrica do mesmo tamanho e capacidade de Itaipu, em Foz do Iguaçu, no Estado do Paraná, na fronteira do Brasil com o Paraguai.

MATRIZ ELÉTRICA BRASILEIRA / ANO 2013 (NÚMEROS APROXIMADOS)
UNIDADES	FONTE ENERGÉTICA	QUANTIDADE
1.019	Hidrelétricas (grandes e pequenas)	83 gigawatts (66%)
145	Usinas térmicas a gás natural	14 gigawatts (11%)
445	Usinas térmicas de biomassa (bagaço cana)	10 gigawatts (8%)
983	Usinas térmicas a óleo diesel	7 gigawatts (5%)
81	Sistemas de energia eólica	2 gigawatts (2%)
10	Usinas térmicas a carvão	2 gigawatts (2%)
2	Usinas nucleares	2 gigawatts (2%)
	Outras fontes
	Importação
TOTAL

MATRIZ ELÉTRICA BRASILEIRA / ANO 2015 (NÚMEROS APROXIMADOS)
UNIDADES	FONTE ENERGÉTICA	QUANTIDADE
1.227	Hidrelétricas (grandes e pequenas)	95 gigawatts (67%)
152	Usinas térmicas a gás natural	14 gigawatts (10%)
395	Usinas térmicas de biomassa (bagaço cana)	10 gigawatts (7%)
81	Sistemas de energia eólica	9 gigawatts (6%)
2.145	Usinas térmicas a óleo diesel	5 gigawatts (3%)
22	Usinas térmicas a carvão	3 gigawatts (2%)
2	Usina nucleares	2 gigawatts (2%)
	Outras fontes
	Importação
TOTAL

MATRIZ ELÉTRICA BRASILEIRA / ANO 2019 (NÚMEROS APROXIMADOS)
UNIDADES	FONTE ENERGÉTICA	QUANTIDADE
1.341	Hidrelétricas (grandes e pequenas)	108 gigawatts (60%)
167	Usinas térmicas a gás natural	13 gigawatts (7%)
425	Usinas térmicas de biomassa (bagaço cana)	11 gigawatts (6%)
610	Sistemas de energia eólica	15 gigawatts (8%)
2.147	Usinas térmicas a óleo diesel	4 gigawatts (2%)
12	Usinas térmicas a carvão	3 gigawatts (2%)
2	Usina nucleares	2 gigawatts (1%)
2.469	Energia solar	2 gigawatts (1%)
	Outras fontes
	Importação
TOTAL

Observação: Os números e porcentagens dos quadros acima são aproximados e foram arredondados pelo blog para facilitar o entendimento do leitor leigo. Várias fontes de consulta foram utilizadas e médias foram calculadas a partir das fontes consultadas.

O Brasil tem atualmente uma capacidade instalada de aproximadamente 165 gigawatts de energia elétrica, com cerca de 7.173 empreendimentos geradores de energia. Há também milhares de minigeradores de energia solar fotovoltaica instalados em residências e pequenos e médios estabelecimentos comerciais, que contribuem de forma modesta para o incremento de energia elétrica no sistema de distribuição, já que o excedente de geração é injetado na rede pública de distribuição de energia. Embora seja uma contribuição modesta, a tendência de longo prazo é que essa fonte se torne também uma importante coadjuvante na matriz elétrica brasileira.

As concessionárias distribuidoras de energia elétrica utilizam o kWh para a medição do consumo de energia elétrica e o cálculo da conta de luz de residências e estabelecimentos comerciais e industriais no Brasil. Para calcular a conta de energia elétrica, a companhia multiplica o custo unitário do kWh pela quantidade de energia que o cliente consume durante o mês.

A energia elétrica no Brasil é gerada a partir de diversas tecnologias, a principal delas é formada por usinas hidrelétricas, que, para funcionarem, precisam de grande volume de água em seus reservatórios. Quando há pouco volume de água armazenado nos reservatórios, uma outra tecnologia de geração de energia elétrica, formada por usinas termelétricas, principalmente as usinas a gás natural, precisam ser acionadas. Assim, o ONS - Operador Nacional do Sistema, o órgão público responsável pelo gerenciamento da energia elétrica consumida em larga escala no Brasil, determina o acionamento das usinas térmicas, quando necessário.

Quando isso acontece, o custo de geração de energia elétrica para o consumidor no Brasil aumenta, pois as termelétricas, incluindo as termelétricas a gás natural, a óleo diesel e a carvão, produzem uma energia elétrica mais cara. Por esse motivo, foi criado o sistema de bandeiras tarifárias sinalizado nas contas de energia ao consumidor no Brasil, composto por três cores: a verde, quando as condições de geração de energia elétrica são favoráveis, portanto com uma energia elétrica mais barata, quando não há necessidade do funcionamento das usinas termelétricas; a amarela, quando as condições de geração são menos favoráveis, com o consequente acréscimo sobre a tarifa de energia sobre cada kWh consumido; e a vermelha, com um acréscimo ainda maior sobre a tarifa de energia.

Em 2012, o Governo Federal Brasileiro, liderado pela presidente Dilma Rousseff, propôs às empresas de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica no Brasil uma redução imediata de cerca de 20% no preço da energia elétrica ao consumidor final, principalmente para residências e o comércio. Embora bem intencionada, foi uma medida polêmica, pois, além da redução do preço no varejo, foi colocada na mesa de negociações a renovação das concessões para geração, transmissão e distribuição de energia elétrica para os próximos 30 anos.

A Medida Provisória 579 provocou redução imediata no faturamento das empresas de energia elétrica, principalmente da Eletrobrás, a maior estatal brasileira de geração e transmissão de energia elétrica. Essa atitude polêmica do Governo Federal lembra, pelo menos em parte, outra atitude bem intencionada, mas também polêmica, tomada pelo Governo Federal na década de 1980, liderado pelo então presidente da república José Sarney, o chamado congelamento de preços de produtos e serviços no varejo brasileiro.

Para economistas, jornalistas, investidores, acadêmicos, analistas do mercado de capitais e para a então oposição à administração da então presidente Dilma Rousseff atitudes como essa assustam e afastam investidores e prejudicam o ambiente de negócios no Brasil, trazendo instabilidade e até insegurança jurídica no sistema produtivo brasileiro em geral.

Curiosamente, cerca de dois anos depois dessa redução artificial dos preços da energia elétrica no varejo, esse mesmo produto teve um aumento abrupto do seu preço, em parte consequência direta da falta de água nos reservatórios das usinas hidrelétricas, por causa da estiagem prolongada em vários estados brasileiros, obrigando o uso intensivo de todas as usinas térmicas a combustíveis fósseis disponíveis no Brasil, que produzem energia elétrica mais cara e mais poluente que todos as demais opções da matriz energética brasileira.

Por esse e por outros motivos, as esperanças de dias melhores na geração, transmissão e distribuição de energia elétrica estão depositadas na estratégia de diversificação da matriz elétrica brasileira, principalmente por parte da iniciativa privada, o que, na prática, já está ocorrendo.

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